Les champs électriques forts peuvent conduire à une localisation des électrons. Crédit : MPI-P
Des scientifiques de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, de l’Université de Paderborn et de l’Université de Constance ont réussi à atteindre un état quantique rare. Ils sont les premiers à avoir démontré la localisation Wannier-Stark dans une substance polycristalline. Prévu il y a environ 80 ans, cet effet n’a été prouvé que récemment – dans un monocristal. Jusqu’à présent, les chercheurs supposaient que cette localisation n’était possible que dans ces substances monocristallines, très compliquées à produire. Les nouvelles découvertes représentent une percée dans le domaine de la physique et pourraient à l’avenir donner naissance à de nouveaux modulateurs optiques, qui pourront par exemple être utilisés dans les technologies de l’information basées sur la lumière, entre autres. Les physiciens ont publié leurs résultats dans une revue technique réputée, Nature Communications.
Plus fort et plus rapide que l’éclair
Les atomes d’un cristal sont disposés en une grille tridimensionnelle, maintenus ensemble par des liaisons chimiques. Ces liaisons peuvent cependant être dissoutes par des champs électriques très puissants qui déplacent les atomes, allant même jusqu’à introduire une telle énergie dans le cristal qu’il est détruit. C’est ce qui se produit lorsque la foudre frappe et que les matériaux se liquéfient, se vaporisent ou brûlent, par exemple. Pour démontrer la localisation Wannier-Stark, les expériences des scientifiques ont consisté à mettre en place des champs électriques de plusieurs millions de volts par centimètre, bien plus forts que les champs impliqués dans les foudres. Au cours de ce processus, le système électronique d’un solide – dans ce cas, un polycristal – est forcé de s’éloigner d’un état d’équilibre pendant un temps très court. “La localisation Wannier-Stark implique la fermeture virtuelle de certaines des liaisons chimiques de façon temporaire. Cet état ne peut être maintenu que pendant moins d’une picoseconde – un millionième de millionième de seconde – sans détruire la substance. Une fois que le champ électrique à l’intérieur du cristal est suffisamment fort, les liaisons chimiques vers le champ sont désactivées, rendant brièvement le cristal comme un système de couches non liées. Le chaos règne. Le phénomène est corrélé à des changements radicaux de la structure électronique du cristal, ce qui entraîne des modifications importantes des caractéristiques optiques, en particulier une forte non-linéarité optique”, explique le professeur Torsten Meier de l’université de Paderborn, qui était responsable de l’analyse théorique des expériences. Les effets non linéaires peuvent donner naissance à de nouvelles fréquences, par exemple, sans lesquelles la manipulation ciblée de la lumière nécessaire aux télécommunications modernes ne serait pas possible.
Le passage du monocristallin au polycristallin
L’effet a été démontré pour la première fois il y a trois ans en utilisant un rayonnement térahertz intense dans une structure cristalline particulière, impliquant l’arrangement précis de la structure atomique, dans un cristal d’arséniure de gallium. “Cet arrangement précis était nécessaire pour que nous puissions observer la localisation induite par le champ”, explique Meier, qui a simulé et décrit les expériences menées à l’Université de Constance en 2018. Aujourd’hui, les physiciens ont franchi une étape supplémentaire. “Nous voulions étudier si la pérovskite polycristalline, couramment utilisée dans les cellules solaires et les LED, peut également être utilisée comme modulateur optique”, explique Heejae Kim, chef de groupe à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Les modulateurs optiques ciblent les caractéristiques de la lumière pour la rendre utilisable à d’autres fins. Ils sont utilisés, entre autres, dans les télécommunications, les écrans LCD, les lasers à diode et le traitement des matériaux. Cependant, jusqu’à présent, leur fabrication était non seulement coûteuse, mais aussi presque exclusivement limitée au domaine des monocristaux. Les polycristaux tels que la pérovskite pourraient changer cela, en étant utilisés comme modulateurs abordables avec une large gamme d’applications dans le futur.
Les simulations confirment la conjecture
“Malgré l’orientation aléatoire des cristallites individuels, les petits blocs de construction au sein du polycristal, nous avons pu observer des résultats clairs qui correspondent à ceux caractéristiques de la localisation de Wannier-Stark”, poursuit Kim. Les simulations effectuées à Paderborn ont ensuite confirmé ces résultats. Meier explique : “Bien que l’échantillon soit polycristallin, il semble que les modifications des caractéristiques optiques induites par le champ soient dominées par une orientation particulière entre les cristallites et le champ électrique.”
Au-delà de la première réalisation de la localisation de Wannier-Stark dans une substance polycristalline, il y a un élément qui mérite d’être souligné : l’intensité du champ.nécessaire pour observer l’effet est considérablement plus faible que dans l’arséniure de gallium monocristallin. Selon Kim, “cela résulte de la structure atomique de la pérovskite, c’est-à-dire de la coïncidence entre une constante de réseau élevée – la distance entre les atomes – et un spectre étroit dans une orientation cristalline particulière. Les chercheurs prévoient d’étudier plus en détail cet état extrême de la matière au niveau atomique, de rechercher d’autres substances et d’examiner d’autres applications de l’effet.
Référence : “Low-field onset of Wannier-Stark localization in a polycrystalline hybrid organic inorganic perovskite” par Daniel Berghoff, Johannes Bühler, Mischa Bonn, Alfred Leitenstorfer, Torsten Meier et Heejae Kim, 29 septembre 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-26021-4
